Научный руководитель: д. т. н., профессор А. Б. Кувалдин НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ» Кафедра АЭТУС Аспирант: С. А. Васильев Москва, 2013

Индукционная печь с холодным тиглем (ИПХТ) 2 Основные преимущества: Отсутствие загрязнения расплава материалом ХТ Интенсивное электромагнитное перемешивание Управления формой фронта кристаллизации Плавка тугоплавких и химически активным металлов Работа в контролируемой атмосфере при любом давлении Индуктор Холодный тигель (ХТ) Расплав Поддон

Индукционная печь с холодным тиглем (ИПХТ) 3 Способы расчёта: Методика ВНИИЭТО (электрическая схема замещения по общему магнитному потоку) Физическое моделирование Компьютерное моделирование а) б) Секция ХТ без (а) и с (б) разрезом Особенности работы: Большие тепловые и электрические (до 40% подводимой к индуктору мощности; % общих потерь в ХТ) потери в ХТ; низкий η э = 0,2 - 0,3 Большой расход охлаждающей ХТ воды (min 0,25 л/с на секцию) Электрический пробой между секциями ХТ; Контактное сопротивление расплав-тигель и др.

Постановка задачи Разработка упрощённой трёхмерной модели ИПХТ в программном пакете ANSYS Разработка подпрограммы DateForA для формирования расчётного файла для модели Отладка и выработка рекомендаций по работе с моделью, проверка её адекватности Исследование влияния параметров ХТ на энергетические характеристики ИПХТ 4

Упрощённая трёхмерная модель ИПХТ в ANSYS Загрузка (З) ХТ Допущения: Решается только электромагнитная задача Модель состоит из проводящих (З, ХТ), непроводящих (расчётная область РО) областей и условного индуктора Решается нелинейная задача Форма загрузки цилиндрическая Между загрузкой и ХТ имеется промежуточный слой, толщина которого зависит от типа моделируемой печи Профиль секций ХТ трапецеидальный 5

Упрощённая трёхмерная модель ИПХТ в ANSYS РО1 Индуктор (И) РО2 Особенности: Нельзя рассчитать электрические потери в условном индукторе РО разделена на РО1 (охватывает все проводящие области) и РО2 (охватывает РО1, внешняя граница является границей распространения электромагнитного поля условного И). РО1 разбивается с меньшим шагом, чем РО2. Это позволяет уменьшить время расчёта с сохранением точности 6

Подпрограмма DateForA 7

8

9

10

Рабочее окно ANSYS 11

Рекомендации по работе с моделью Шаг разбиения по радиусу проводящих областей модели (З и ХТ) следует задавать кратным э, а по высоте не более э Шаги разбиения по радиусу и высоте непроводящих областей модели задаются путём подбора Размеры РО1 следует задавать в , а РО2 в раза больше максимальных размеров проводящих областей модели Толщина переходного слоя между З и ХТ зависит от типа моделируемой печи: не более э для ИПХТ и по толщине стенки керамического тигля для ИТП с ЗЭ Толщина зазора между секциями ХТ равна мм Необходимо моделировать ХТ с полным набором секций 12

Проверка адекватности модели Данные эксперимента: Рассматривались секции: длина 300 мм, нерж. сталь, э = 12 мм, (1 - без разреза; 2 - сплошной разрез); длина 520 мм, нерж. сталь, э = 12 мм, (3 - без разреза; 4 - разрез по высоте И); длина 520 мм, медь, э = 1,3 мм (5 - без разреза; 6 - разрез по высоте И); Высота индуктора 300 мм, внутренний диаметр 460 мм, ток 1000 А, частота тока 2400 Гц, 10 витков, трубка 15х1,5 мм Экспериментальный стенд

Проверка адекватности модели Тип секций Эквивалентный профиль для медной секции (тип 5 - 6) Эквивалентный профиль для секции из нерж. стали (тип 1 - 4) 14

Проверка адекватности модели * - за 100% приняты значения по эксперименту Выводы: Подтверждено влияние отношения э к δ с.min (min толщина стенки) и вертикального разреза на электрические потери в секциях Погрешность результатов % Тип секции Средние электрические потери, %Погрешность, %* экспериментмодель ,5625,62 39, ,6159,7212,53 15

Исследование влияния параметров ХТ на энергетические характеристики ИПХТ Параметры модели: Высота индуктора 120 мм, внутренний диаметр 160 мм, толщина токоведущего слоя 3 мм, число витков 6, ток 3500 А, частота тока 1000 Гц Внутренний диаметр ХТ 100 мм, высота 200 мм, толщина зазора между секциями 1 мм Диаметр загрузки 100 мм, высота 100 мм, материал - сталь Диаметр/высота РО /300 мм Диаметр/высота РО /600 мм Сечение неравностенной (а) и равностенной (б) секции а) б) 16

Исследование влияния параметров ХТ на энергетические характеристики ИПХТ Зависимость Р З (синяя кривая) и Р ХТ (красная кривая) от К ХТ. Материал ХТ медь (а) и нерж. сталь (б) а) б) Влияние числа секций ХТ К ХТ (неравностенные без разрезов) 17

Исследование влияния параметров ХТ на энергетические характеристики ИПХТ а) Материал ХТ медь Влияние толщины стенки δ ст.ХТ и э.ХТ (24 равностенных секций) 18

Исследование влияния параметров ХТ на энергетические характеристики ИПХТ Зависимость Р З и Р ХТ от отношения δ ст.ХТ / э.ХТ. ХТ без разрезов, с разрезами по высоте индуктора и со сплошными разрезами – синяя, зелёная и красная кривые б) Материал ХТ нерж. сталь 19

Заключение Разработаны упрощённая трёхмерная модель ИПХТ в программном пакете ANSYS для моделирования различных конструкции ХТ и подпрограмма DateForA для формирования расчётного файла для модели Проведена отладка модели, даны рекомендации по работе с ней, проведена проверка адекватности Проведены исследования влияния параметров ХТ на энергетические характеристики ИПХТ. Установлено, что при значении δ ст.ХТ / э.ХТ (1,3 - 1,5) Р ХТ, наоборот, увеличиваются более чем в 1,3 раза Результаты использованы при разработке инженерной методики электрического расчёта ИПХТ с разрезными секциями ХТ 20